如何将 SiC 技术用于功率逆变器

将 SiC 技术用于功率逆变器是增加扭矩和加速度以及提升汽车整体性能的好方法。

安森美半导体在电动方程式世界锦标赛中与梅赛德斯-EQ 方程式 E 合作开发下一代电动动力系统。安森美半导体与梅赛德斯 AMG 的高功率性能 （HPP） 部门之间的技术合作为赛车提供了技术改进。

在接受 EE Times 采访时，安森美半导体全球系统工程副总裁 Dave Priscak 强调了设计和测试如何在 Formula E 中齐头并进，从而实现逆变器功率级的持续改进。

“当我们开始参加 Formula E 时，我们作为赞助商加入，只与梅赛德斯车队 PETRONAS 合作——我们正在寻找一些方法来展示我们为电动汽车 （EV） 市场所做的和正在做的事情。但很快，通过与他们的开发团队合作，我们意识到从工程的角度来看，我们可以互相学习很多东西。因此，它更像是一种伙伴关系，而不是赞助。我们的设计工程师正在与电动方程式的动力系统工程师合作，为电动方程式开发下一代牵引逆变器和动力传输系统。我们学到的大部分知识都可以应用于商业解决方案，但扭矩比与您发现的有很大不同在一辆普通的汽车里，”普里斯克说。

电动方程式赛车的核心是动力装置，即推进系统，它由三个元件组成：电池、逆变器和电机。逆变器是系统的大脑。它负责把从电池中取出的直流电转换成高密度的交流电送至发动机。然而，在减速期间，再生电机制动被激活，电流沿反向路径流动。电动方程式是唯一一项测试下一代电动汽车最新技术的赛车赛事。

碳化硅技术

作为宽带隙半导体，碳化硅表现出比硅更大的带隙能量（3.2eV，约为硅的三倍，等于1.1eV）。因为需要更多的能量来激发半导体导电带中的价电子，所以可以实现更高的击穿电压、更高的效率和更好的高温热稳定性。SiC MOSFET 的主要优点是低漏源导通电阻 （R DS（ON） ），在相同击穿电压下比硅器件低 300-400 倍。

在逆变器中使用 SiC 技术的好处包括更小的电路和更轻的重量、改善重量分布和降低整体功耗。这是因为 SiC MOSFET 可以在更高的开关频率下运行，从而减小了逆变器中所需的许多电路元件的尺寸。SiC 器件还可以在比标准硅功率半导体更高的电压和电流下工作，即使在高温下也能提高功率密度并降低开关损耗。

赛车逆变器

Formula E 提供了有关如何最大限度地提高效率和延长电池寿命的见解。Priscak 指出，如何在动力系统中尽可能高效地传递能量是设计的重点。

赛车需要能够承受剧烈冲击、强烈振动和极端温度的技术。此外，半导体器件的效率越高，耗散的功率和浪费的热量就越少，从而提高了每瓦功率比。与此同时，工程师们还致力于减少汽车的部件，以节省重量和空间。

正如 Priscak 指出的那样，在 Formula E 领域，它几乎完全是碳化硅。从电池到发动机的功率级非常简单。然而，电机驱动是一个非常复杂的数学算法，但功率转换与当前的电动汽车并没有太大区别。“问题在于，在 E 级方程式中，你必须在赛道上进行大约 45 分钟的加速和制动。所以最大的挑战是尽可能多地回收能量。这非常困难。因为你有大而短的爆发力，而电池无法吸收所有这些，”Priscak 说。

目前，动力总成面临的一些最大挑战是能够在制动期间捕获所有能量并实际为电池充电。比赛规则每场比赛只允许使用一个电池，因此我们的目标是研究这项技术，不仅要尽可能多地回收电池，还要尽可能高效地使用它。

电能存储技术（通常被认为是电动汽车的最大推动力和限制因素）性能是为电动汽车电机提供电力的关键。有多种存储电能的技术，例如超级电容器、化学电池、固态电池等。锂离子 （Li） 化学电池目前在性能和商业可行性之间提供了最实用的平衡。

创造下一代栅极驱动器是安森美半导体关注的另一个领域，以最大化碳化硅 MOSFET 的导电面积。“不同之处在于，正如我之前所说，比赛只需要持续 45 分钟，而赛车必须持续 10 年。因此，通过突破碳化硅的性能极限，我们正在学习如何最大限度地延长使用寿命。在 Formula E 中，我们专注于从数字处理器到电机的整个动力系统。因此，不仅仅是碳化硅，还有栅极设计、驱动器设计、隔离栅，以及所有决定动力总成效率的元素，”Priscak 说。

监测在 Formula E 中至关重要。测量通过汽车循环的每一安培电流非常重要。每次加速、刹车或转弯时，您不仅需要了解损失了多少能量，还需要了解可以恢复多少能量。Priscak 指出，如果驾驶员过于激进，电池将永远无法用完。因此，需要监控驾驶曲线，特别是加速和制动，分析传动系统的各个方面。

“在所有这一切中，温度是一件大事，无论是从电池的角度来看，以确保终端在加速过程中不会变得太热，还是在所有功率级监控温度。有很多传感器不仅可以用于电流和电压，还可以用于温度，”Priscak 说。

碳化硅是一种非常快速的高压开关，Priscak 指出的最大挑战是驱动电机。“电机是一个大电感，讨厌快速开关。如果你有一个快速开关进入电机，电机需要一个正弦波。碳化硅的开关速度比感应负载所能承受的快得多。因此，我们驱动电机的方式需要不断创新，”Priscak 说。

Formula E 正在突破电力电子技术的极限，并带来一系列新的 SiC 解决方案。电动汽车将受益于新的 SiC 电源解决方案，因为它具有更简单的冷却系统、更长的续航里程和更好的性能。它们还将延长电动汽车的电池寿命，并且通过改进的车载充电器 （OBC） 和 DC-DC 转换器，电池充电速度将大大加快。芯片公司和 Formula E 之间的众多合作伙伴关系将使电动汽车受益于众多工程解决方案，不仅来自 SiC 芯片制造商，而且来自 GaN 芯片制造商。

审核编辑：彭静